TOP > レポート＆コラム > 宇宙科学の最前線 > 「中くらいのブラックホール」は存在するか？
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X線観測からブラックホールの質量を求める
星サイズのブラックホールや巨大ブラックホールは，強いX線源として観測されることが多い。X線の観測データを解析することによって，ブラックホールの質量，周辺の物理的状況，それに最近ではブラックホールが回転しているかどうか，そんな議論もできるようになってきた。
宇宙研の「てんま」「ぎんが」「あすか」というX線天文衛星も，X線観測によるブラックホールの研究に大きな貢献をしてきた。「ぎんが」衛星の大きな成果の一つが，X線のスペクトル観測から星サイズのブラックホールの質量が推定できることを示したことである。その原理は単純で，星サイズのブラックホールの降着円盤（伴星からの物質が渦を巻いて落ちていくときにできる）のサイズをX線観測から決めて，それをシュバルツシルト半径と結び付けてやればよい。「てんま」や「ぎんが」の観測から，降着円盤のX線エネルギースペクトルは黒体輻射（真っ赤に燃えている石炭みたいなもの）で近似できることが分かった。石炭でも降着円盤でも何でも，黒体輻射のエネルギースペクトルは温度だけから，そこから出てくる熱の量は表面積だけから決まる。星サイズのブラックホールの周りの降着円盤の温度は約1000万度。X線スペクトルフィットからその温度を決めて，観測されたフラックスから円盤の面積，すなわち内縁の半径が決まる。
「ぎんが」衛星は，円盤の温度とフラックスが大きく変化しても，内縁の半径は一定であることを発見した。ブラックホールの周りでは，物体はシュバルツシルト半径の3倍より近づけないことが，一般相対性理論から分かっている。円盤の半径は，シュバルツシルト半径の3倍でピタリと一定であるべきだ。「ぎんが」はまさにそれを発見したのである。この美しい結果は，最近の高エネルギー天文学の教科書にも引用されている（図1）。
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| 図1 | 「ぎんが」衛星が観測した，星サイズのブラックホールLMC X-3のX線スペクトルパラメーターの時間変化。降着円盤の質量降着率，光度，高エネルギー成分が大きく変化しても，円盤の内縁は一定で，それからブラックホールの質量が決まることが分かる。筆者の博士論文から取った図だが，Longairの『High Energy Astrophysics』という教科書にも載っている。 |
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X線で明るく光る天体ULXの正体は？
さて，ブラックホールについてもう一つ大切な性質がある。それは重くなればなるほど，その周りの降着円盤が低温になるということだ。降着円盤は黒体輻射に近いから，その光度は表面積と温度の4乗の積に比例する。一方，以下で述べるように，ブラックホールの最大光度は質量に比例する。ここで，シュバルツシルト半径が質量に比例することを思い出してほしい。円盤の表面積は，シュバルツシルト半径の2乗，つまり質量の2乗に比例する。その結果，質量の大きなブラックホールほど円盤の内縁が大きくなり，温度が下がる。実際，星サイズのブラックホールの降着円盤は1keV程度のX線領域で観測されるが，巨大ブラックホールに関しては，それよりもずっと波長の長い，紫外線領域で観測される。
ブラックホールにモノが落ち込み，重力エネルギーを解放して光るとき，その光度は質量によって決まる「エディントン限界光度」を超えることができない。球対称を仮定すると，光の圧力でモノが押し返されて重力と釣り合い，それ以上は重力エネルギーを解放できない，という限界が存在するのである。エディントン限界光度は質量に比例し，太陽質量では1038エルグ/秒。つまり星サイズのブラックホールでは，その10倍程度，1039エルグ/秒を超えられない，ということになる。しかし，1980年代，X線天文学で撮像観測が可能になり始めたころから，銀河の中心核からずれたところに，やけに明るく，1040エルグ/秒程度で光る天体が存在することが知られていた。もし太陽質量の100倍のブラックホールなら，エディントン限界を超えずに済むのだが，果たしてこれらの天体は「中くらいのブラックホール」なのだろうか？
1993年に打ち上げられた「あすか」衛星により，これら「Ultra-Luminous X-ray sources（ULX）」のエネルギースペクトルを初めて精密に測定できるようになった。それに対して「ぎんが」衛星で星サイズのブラックホールについて確立した手法を当てはめれば，ULXの質量に制限が付くかもしれない。しかし，出てきた結果は予想とは正反対であった。もしULXが中質量ブラックホールならば，その降着円盤は星サイズのブラックホールよりも低温であるべきだ。しかし，観測された降着円盤の温度は，どれも星サイズのブラックホールよりも高かったのである。これはそのまま解釈すると，星サイズのブラックホールよりもさらに小さな質量（例えば中性子星）で，数十倍のエディントン光度で光っていることになる。そんなことは物理的にあり得ない。いったいULXでは，何が起きているのだろうか？
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